上肢康復(fù)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)及ADMAS動(dòng)力學(xué)分析

喻行濤，張 珣

（1.安川首鋼機(jī)器人有限公司，北京 100176；2.北京萬(wàn)東醫(yī)療科技股份有限公司，北京 100020）

1 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)械臂的組成與分類

機(jī)械臂主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)上肢康復(fù)機(jī)器人這三大部分組成，本設(shè)計(jì)主要對(duì)機(jī)構(gòu)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)做詳細(xì)的介紹[1]。

1.1.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)介紹

執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要用于傳輸?shù)妮S安裝在機(jī)械臂的手臂的內(nèi)孔中，并且可以隨手腕傳輸以旋轉(zhuǎn)，打開(kāi)和關(guān)閉手指并彎曲手腕。上肢康復(fù)機(jī)器人的末端執(zhí)行器以人的手指作為模型，可以分為無(wú)關(guān)節(jié)、固定關(guān)節(jié)和自由關(guān)節(jié)三種類型。末端執(zhí)行器的手指部分可以分為兩只、三只以及更多，本設(shè)計(jì)應(yīng)用的兩只結(jié)構(gòu)應(yīng)有最為廣泛，根據(jù)夾持的醫(yī)療器械的形狀來(lái)無(wú)固定的伸展。還有一種沒(méi)有手指的手部，主要是運(yùn)用真空吸盤(pán)和磁性吸盤(pán)來(lái)控制[2]。

機(jī)械臂手臂的作用主要是用來(lái)定位和抓取醫(yī)用器械，并且把它運(yùn)送到相應(yīng)的位置。只有使三個(gè)自由度都準(zhǔn)確定位，才能保證機(jī)械臂準(zhǔn)確工作。機(jī)身軀干是主要用來(lái)安裝機(jī)械手臂、動(dòng)力源、減速器和各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的支撐支架[3]。

1.1.2 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

機(jī)械領(lǐng)域的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要分為四種類型：氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、機(jī)械驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)。其中液壓驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)使用最為廣泛[4]。

液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)不適合用于醫(yī)療，因?yàn)樗捎透谆蝰R達(dá)、油箱、伺服閥和油泵組成，使用時(shí)噪音極大，而醫(yī)院需要一個(gè)安靜的環(huán)境[5]。

氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)也不適于用在醫(yī)療機(jī)械中，結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，氣源更方便，動(dòng)作更快，成本更低，但是速度很難得到控制，氣壓也不穩(wěn)定，因此也不適合醫(yī)療。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)方式是目前的上肢康復(fù)機(jī)器人使用得最多的一種驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)方式。它具有很多優(yōu)勢(shì)，例如：電源方便、反應(yīng)很快、驅(qū)動(dòng)力比氣動(dòng)方式大、信號(hào)檢測(cè)和傳動(dòng)處理方便，可以同時(shí)用幾種方案來(lái)控制，這些都是醫(yī)療器機(jī)械臂應(yīng)具備的特性。

機(jī)械驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)方式只能用于機(jī)構(gòu)固定的情況。它最大的特點(diǎn)是動(dòng)作確定勞靠、成本低、傳動(dòng)速度高，但是調(diào)整起來(lái)不方便。綜合上述優(yōu)缺點(diǎn)選擇了電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式。

1.1.3 機(jī)械臂的設(shè)計(jì)

機(jī)械臂按用途分類為：

（1）通用機(jī)械臂。通用機(jī)械臂是專用機(jī)械改良形成的，能夠針對(duì)各種動(dòng)作做出不同的反應(yīng)，具有不同作業(yè)方式的通用性。

（2）專用機(jī)械臂。專用機(jī)械臂是只對(duì)特定的一類作業(yè)起作用。因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且較為實(shí)用，在醫(yī)療專業(yè)領(lǐng)域運(yùn)用的比特別廣泛。一般對(duì)一類醫(yī)療作業(yè)起作用[6]。

在工業(yè)機(jī)器人發(fā)展較為成熟的情況下，機(jī)器人開(kāi)始用于醫(yī)療方面。在醫(yī)療方面的應(yīng)用中最主要應(yīng)用于外科手術(shù)的治療，開(kāi)始運(yùn)用醫(yī)療機(jī)器人操縱手術(shù)刀和其他器械代替?zhèn)鹘y(tǒng)意義上的人工來(lái)醫(yī)療作業(yè)，與我們平時(shí)生活中常見(jiàn)的手術(shù)相比，醫(yī)療機(jī)器人技術(shù)具有下面幾個(gè)特點(diǎn)：

醫(yī)療康復(fù)機(jī)器人技術(shù)完全實(shí)現(xiàn)由電腦控制，可以通過(guò)特定的運(yùn)行軌跡實(shí)現(xiàn)較高的穩(wěn)定性，機(jī)器人技術(shù)系統(tǒng)中具有較大的數(shù)據(jù)庫(kù)比起人工經(jīng)驗(yàn)來(lái)說(shuō)具有較高的科學(xué)依據(jù)。對(duì)于醫(yī)學(xué)康復(fù)來(lái)說(shuō)，作業(yè)的空間非常的有限，而且會(huì)消耗很大的精力。用上肢康復(fù)機(jī)器人定位技術(shù)較好解決了上面的問(wèn)題，減少了患者的體力消耗，并且機(jī)械臂可以達(dá)到很高的精度。

1.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

上肢康復(fù)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括手臂機(jī)構(gòu)、腕部機(jī)構(gòu)、機(jī)座機(jī)構(gòu)、末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。上肢康復(fù)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)涵蓋四部分內(nèi)容，分別如下：

（1）臂結(jié)構(gòu)，也稱為臂，由連桿和動(dòng)態(tài)接頭組成。它的功能是調(diào)整并支持整個(gè)末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)和腕部機(jī)構(gòu)的定位坐標(biāo)。

（2）手腕機(jī)構(gòu)，也稱為手腕，手腕的作用是鏈接末端執(zhí)行器和小臂部分，并可使末端執(zhí)行器自由旋轉(zhuǎn)。

（3）末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)，又叫做手爪，這個(gè)部件很重要使用來(lái)抓取醫(yī)用器械進(jìn)行操作的機(jī)構(gòu)，它以人手為模型模仿人手的握緊功能，并且安裝在機(jī)械臂的前端因此成為末端執(zhí)行器。

（4）機(jī)械底座是機(jī)械臂的支撐部分，起支承固定作用，能夠承載和支持臂部的回轉(zhuǎn)[7]。

1.3 上肢康復(fù)機(jī)器人整體設(shè)計(jì)

分析對(duì)介入手術(shù)機(jī)械醫(yī)療臂的研究，手臂的設(shè)計(jì)要求如下：

（1）最小載荷必須達(dá)到2 kg以上；

（2）所設(shè)計(jì)的尺寸盡量要小，前提是在足夠的活動(dòng)范圍里；

（3）實(shí)現(xiàn)較高的定位精度。

為了實(shí)現(xiàn)手術(shù)的簡(jiǎn)單化要求機(jī)械臂的靈活性機(jī)械臂最少需要三個(gè)自由度，可由P(移動(dòng)關(guān)節(jié))和R（轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)）組成。在上述機(jī)械機(jī)構(gòu)中，直角坐標(biāo)型工作范圍比較小，不符合手術(shù)要求；圓柱坐標(biāo)性、SCARA型要求結(jié)構(gòu)尺寸比較大，不符合手術(shù)要求；我們對(duì)各種機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)比得知只有關(guān)節(jié)坐標(biāo)結(jié)果可以通過(guò)后續(xù)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)以及對(duì)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的適當(dāng)選擇可以完成手術(shù)的各項(xiàng)要求，能承載2 kg以上的重力，并且具有手術(shù)所要求的高靈活性，在RRR結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)機(jī)械手極其轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。

2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的上肢康復(fù)機(jī)器人定位機(jī)械臂的設(shè)計(jì)需要完成器械的抓取，移動(dòng)以及定位。本該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)采用關(guān)節(jié)式設(shè)計(jì)，關(guān)節(jié)型的優(yōu)點(diǎn)是傳動(dòng)時(shí)操作較為精確，零件與零件之間的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，需要用到的空間也較小，這完全符合醫(yī)療器械的設(shè)計(jì)要求。機(jī)器人手臂的腰部和腕部都可以鉸接，這對(duì)于某些需要精確操作，精確定位以及簡(jiǎn)單快速操作的任務(wù)非常有幫助。

由于底座需要驅(qū)動(dòng)整個(gè)機(jī)械臂，因此轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和質(zhì)量非常大，伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩通常很小，不符合要求，因此由大功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由減速齒輪箱減速，然后驅(qū)動(dòng)到機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的腰部上方。

直流電動(dòng)機(jī)安裝在底座箱的側(cè)面。底座箱內(nèi)部的減速器結(jié)構(gòu)，用于降低速度并提供更大的扭矩。電動(dòng)機(jī)固定在箱體上，電動(dòng)機(jī)輸出的扭矩傳遞到減速器形成反作用力，并且由于基座固定在地面上，因此箱體和上述部件被推動(dòng)旋轉(zhuǎn)。

腕部，也稱為手腕部，是連接手臂和手抓之間的部分，是實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器在手臂和腰部工作空間中的三個(gè)位置坐標(biāo)，并末端執(zhí)行器在工作空間中的姿勢(shì)坐標(biāo)由手腕實(shí)現(xiàn)。腰部結(jié)構(gòu)用于連接底座和動(dòng)臂。

關(guān)于手臂的設(shè)計(jì)主要有大臂和小臂的設(shè)計(jì)，它們的結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計(jì)要能夠完成工作時(shí)空間的要求，由手臂所受載荷和手臂的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，我們合理的選擇了手臂的材料灰鑄鐵HT200。本設(shè)計(jì)所使用的旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和轉(zhuǎn)矩不但大大減小了驅(qū)動(dòng)裝置的負(fù)荷而且減小了動(dòng)態(tài)負(fù)荷和操作沖擊，增加了運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)速度；要盡量的減小機(jī)械之間間隙所帶來(lái)的運(yùn)動(dòng)誤差，這樣提高了運(yùn)動(dòng)精度和定位精度。

3 機(jī)械臂末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)

3.1 末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)要求

為了保持手指和被夾持醫(yī)療器械的正確相對(duì)位置，手指的形狀要根據(jù)醫(yī)療器械的形狀來(lái)變化。例如，所選的就是針對(duì)圓形手術(shù)刀的夾持利用的是V形表面的手指進(jìn)行自動(dòng)居中，手指不但要受到抓取的醫(yī)療器械的反作用力，更會(huì)受到器械運(yùn)動(dòng)時(shí)所帶來(lái)的震動(dòng)，我們不但要保證手指不會(huì)因此折斷或者變形，而且要結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單經(jīng)湊，降低震動(dòng)所帶來(lái)的作用。

3.2 驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算

圓柱形銷釘固定地安裝在拉桿的端部，并且當(dāng)向上拉動(dòng)拉桿時(shí)，圓柱形銷釘在兩個(gè)手指的滑動(dòng)槽中移動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)手指繞兩個(gè)支點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。當(dāng)按下操縱桿時(shí)，手指松開(kāi)器械。手指抓緊醫(yī)療器械所需的力稱為抓緊力（即夾緊力）。假想的抓握力作用在手指和醫(yī)療器械之間的接觸表面的對(duì)稱面上，并且兩個(gè)力的大小相等，方向相反。

由此可看出，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力恒定時(shí)，手抓的開(kāi)閉角、手抓握力都增加。為了使手抓滑槽和拉桿的行程不會(huì)過(guò)大，所以要控制角度的α大小不會(huì)過(guò)大。因此，這里選取角度α=30°。所提到的手部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而且動(dòng)作靈活，兩根手指之間的開(kāi)合角度比一般的大。選用的手指夾住圓柱形機(jī)械儀器時(shí)，抓力的計(jì)算公式為N=0.5 g，因此可算出其大小。考慮各部件之間的作用力，震動(dòng)力帶來(lái)的影響，還有抓取醫(yī)療器械時(shí)的反作用力的作用，綜上可以根據(jù)以下公式計(jì)算實(shí)際的驅(qū)動(dòng)力。

4 靜力矩估算與電機(jī)、減速器的選擇

在選擇電動(dòng)機(jī)和減速器時(shí)，必須首先確定負(fù)載條件。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算負(fù)荷確定匹配的電動(dòng)機(jī)減速器型號(hào)，然后可以根據(jù)安裝需要確定電動(dòng)機(jī)和減速器的安裝結(jié)構(gòu)。

4.1 電機(jī)、減速器的選擇

腕部的結(jié)構(gòu)有殼體、減速機(jī)和電機(jī)組成，質(zhì)量為2.289 kg、0.56 kg和0.32 kg，所以這個(gè)部分的結(jié)構(gòu)總質(zhì)量m2=3.169 kg，總長(zhǎng)度為165 mm。

由于手腕水平狀態(tài)下轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最大，因此在這種情況下，步進(jìn)電機(jī)在旋轉(zhuǎn)開(kāi)始時(shí)產(chǎn)生的扭矩嚴(yán)重不足。將腕部、手部、醫(yī)療器械繞著他們自己的重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量用JG2、JG1、JG來(lái)表示。

手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的各部件的質(zhì)量總和m1=10 kg，長(zhǎng)100 mm，與手腕旋轉(zhuǎn)有關(guān)的部分的質(zhì)量密度平均分布在半徑為50 mm的圓盤(pán)上，所帶來(lái)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：

把手臂的橫截面設(shè)計(jì)為方形空心形式，因此彎曲系數(shù)大，橫截面面積小，從而減輕了手臂的重量，使其既經(jīng)濟(jì)又輕便。

4.2 軸的校核

本設(shè)計(jì)所選用的軸的材料是45#鋼，從查詢表中可以看出，軸的容許扭剪應(yīng)力為30 MPa，由容許應(yīng)力確定的系數(shù)為C=120。

由于軸是齒輪軸，這樣可使軸的軸直徑更大，以滿足齒輪嚙合時(shí)的嚴(yán)格要求。齒輪分割圓直徑為40 mm。軸承安裝在齒輪的兩端。加工肩部以定位軸承。齒輪軸配備有滾動(dòng)軸承7003C，內(nèi)徑為17 mm。

在進(jìn)行軸的初始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之后，將執(zhí)行檢查計(jì)算。計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)是滿足軸的強(qiáng)度或剛度要求。計(jì)算軸的強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)根據(jù)軸的比重和應(yīng)力采用相應(yīng)的方法，并適當(dāng)選擇許用應(yīng)力。對(duì)于用于傳遞扭矩的軸，應(yīng)計(jì)算其抗扭強(qiáng)度。對(duì)于僅承受彎矩的軸（心軸），應(yīng)根據(jù)彎曲強(qiáng)度條件進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)疲勞強(qiáng)度條件等進(jìn)行正確的驗(yàn)證。其他軸用相同方法計(jì)算，結(jié)果都滿足要求。因?yàn)檎麄€(gè)軸上的零件比較復(fù)雜，所以兩個(gè)軸承之間以及套筒和軸承之間都有齒輪。因此d可以更大，這里d=17mm，軸承零件φ=17 mm，該軸承用于滾動(dòng) 軸承，軸承類型為滾動(dòng)軸承7003C，其余根據(jù)結(jié)構(gòu)確定。因?yàn)檩d荷不大，所以選擇軸承較大時(shí)強(qiáng)度足夠。

4.3 基于Adams的動(dòng)力學(xué)仿真

對(duì)Adams虛擬樣機(jī)中構(gòu)件主要屬性參數(shù)，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，仿真結(jié)果如圖1所示。

圖1 Adams動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果

基于Adams的各構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線一致，驗(yàn)證了所做上肢康復(fù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的正確性。

5 結(jié)語(yǔ)

本研究完成了對(duì)上肢康復(fù)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)研究，并結(jié)合模型提出了上肢康復(fù)機(jī)器人綜合性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用ADAMS優(yōu)化了上肢康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)參數(shù)。